热设计

目标

• 由器件的功率和热量路径上的各热阻估算其结温。
• 了解数据手册中的结至环境热阻不能说明你的电路板的哪些情况。
• 由封装顶部测得的温度估算结温。

理论

串联热路

热阻（thermal resistance）是流过它的每瓦功率所对应的温差 [Texas Instruments 2003]。装在散热器（heat sink）上的器件，其功率主要从结（junction）传到外壳，经界面材料（导热垫、导热硅脂或绝缘垫片）传到散热器，再从散热器传到空气。设全部功率都沿这一路径流动，则每一段使温度升高其热阻与功率之积：

$$T_J = T_A + P_D \left(\theta_\mathrm{JC} + \theta_\mathrm{CS} + \theta_\mathrm{SA}\right)$$

$T_J$

结温（junction temperature）

$P_D$

耗散功率

$T_A$

环境温度（ambient temperature）

$\theta_\mathrm{CS}$

壳-散热器热阻

$\theta_\mathrm{JC}$

结-壳热阻

$\theta_\mathrm{SA}$

散热器-环境热阻

经串联热路求结温✓ 经 7 项测试验证

假设、约定与出处

假设

• 稳态；器件的全部功率依次流经热路的各段：结到外壳、外壳到散热器、散热器到环境

备注

热路的每一段都使温度升高其热阻与流经该段功率之积，各段温升相加；链路中最大的热阻在结温升中所占份额最大，因此降低它最有效

出处

Texas Instruments 2003, thermal resistance as a temperature difference per watt; derived here

推导

sympy 逐步推导

公式 id

therm.Tj · equations.yaml 条目

链路中最大的热阻在结温升中所占份额最大，因此降低它最有效。

数据手册中的结至环境热阻 $\theta_\mathrm{JA}$ 是最常给出的热指标，也常被误用 [Texas Instruments 2003]：它描述的是器件测量时从结到空气的整条路径，包括当时的电路板和气流，而不是你的电路板上的路径。

由封装顶部估算

没有散热器的器件经引脚、电路板和顶部散发功率，只有部分功率流经顶部。结至顶部特征参数（junction-to-top characterization parameter）$\Psi_\mathrm{JT}$ 按器件的全部功率，把结温与封装顶部测得的温度联系起来；它不是真正的热阻，不能计入串联热路 [Texas Instruments 2003]：

$$T_J = T_T + \Psi_\mathrm{JT} P_D$$

$T_J$

结温（junction temperature）

$P_D$

耗散功率

$\Psi_\mathrm{JT}$

结-顶部特性参数

$T_T$

封装顶部温度

由封装顶部温度求结温✓ 经 7 项测试验证

假设、约定与出处

假设

• 器件的安装与冷却方式与表征时相同（装在电路板上，封装上无散热器）；该参数不是热阻：只有部分功率流经封装顶部

备注

只有部分功率流经封装顶部，因此该参数并不是真正的热阻，也不能计入串联热路；它在器件表征时的条件下，按器件的全部功率把测得的顶部温度与结温联系起来：封装上加装散热器后便不再适用

出处

Texas Instruments 2003, Psi_JT, the junction-to-top characterization parameter

公式 id

therm.psi · equations.yaml 条目

数据手册给出的值只在其表征条件下成立；封装上加装散热器后便不再适用。

温度与损耗

硅 MOSFET 的导通电阻（on-resistance）随结温升高：在所引教程中，从 25 °C 到 125 °C 大约翻一番 [Advanced Power Technology 2006]；所用器件的倍数可从数据手册的归一化导通电阻曲线读出。导通损耗随之增大（导通损耗）。结温越高，损耗越大，损耗又使结温进一步升高：应按损耗所导致的结温估算损耗，而不是按室温估算。

例题

一个装在散热器上的开关管；另外还有一个没有散热器、测量了封装顶部温度的器件：

热设计示例

符号	数值	求法
$P_D$ 耗散功率	2 W	已知
$T_A$ 环境温度（ambient temperature）	40 °C	已知
$\theta_\mathrm{JC}$ 结-壳热阻	1.5 K/W	已知
$\theta_\mathrm{CS}$ 壳-散热器热阻	0.5 K/W	已知
$\theta_\mathrm{SA}$ 散热器-环境热阻	20 K/W	已知
$T_T$ 封装顶部温度	70 °C	已知
$\Psi_\mathrm{JT}$ 结-顶部特性参数	2 K/W	已知
$T_J$ 结温（junction temperature）	84 °C	经串联热路求结温
${T_J}_{\mathrm{top}}$ 结温（junction temperature）	74 °C	由封装顶部温度求结温

按串联热路计算，开关管的结温为 84 °C，温升大部分产生在散热器的 20 K/W 上。对于没有散热器的器件，由 70 °C 的封装顶部温度和特征参数求得结温为 74 °C。

动手试试

▶ 在公式浏览器中打开：经串联热路求结温
预设取自例题 bench-thermal

扫描散热器的热阻：在该例中它是链路中最大的热阻，结温随之变化。改为降低结至外壳热阻时，该例中的结温变化小得多。

实验练习

让变换器满载运行，直到各处温度稳定，并由损耗模型求出每个器件的功率。实测输入功率减去输出功率是整个变换器的损耗，即所有开关管、二极管、磁性元件、电容以及控制电路的损耗之和：它检验的是损耗模型的总和，而不是任何单个器件的功率。对于装在散热器上的开关管，测量环境温度，并经串联热路估算结温。对于没有散热器的器件（控制器，或靠电路板散热的表面贴装开关管），测量其封装顶部温度，并用数据手册中的特征参数估算结温：红外热像仪要按表面的发射率（emissivity）设置，并防止热电偶（thermocouple）的导线从小封装上带走热量。将每个估算值与按数据手册的结至环境热阻所预测的值比较。

易错点

• 结至环境热阻对应的是测量时所用的电路板和气流，且常被误用 [Texas Instruments 2003]。
• 特征参数不是热阻：不要把它计入串联热路 [Texas Instruments 2003]。
• 按室温估算的损耗偏低：导通电阻随结温升高 [Advanced Power Technology 2006]。

延伸阅读

• 应用笔记 Semiconductor and IC Package Thermal Metrics (SPRA953) — Texas Instruments · 访问于 2026-09-24
  数据手册上的热阻和特性参数的含义、测量方法，以及它们如何被误用。
• 应用笔记 Understanding Thermal Dissipation and Design of a Heatsink (SLVA462) — Texas Instruments · 访问于 2026-09-24
  从结到空气的热路径，以及据此确定散热器尺寸。
• 应用笔记 Power MOSFET Tutorial (APT-0403) — Advanced Power Technology (Microchip) · 访问于 2026-09-24
  功率 MOSFET 的结构、其数据手册参数，以及这些参数随温度的变化。

测验

1. 某器件在 25 C 的空气中耗散 3 W，热量依次经过 2、1 和 12 K/W 的串联热阻（结至外壳、外壳至散热器、散热器至空气）。其结温是多少？

   1. 45 C
   2. 61 C
   3. 100 C
   4. 70 C
   答案与解析

   正确答案：D 各段温升相加：3 W 乘以 15 K/W 为 45 K，因此结温比 25 C 高 45 K。

2. 哪项改动使该结温降低最多？

   1. 换用热阻减半的散热器
   2. 换用热阻减半的界面材料
   3. 换用结至外壳热阻减半的器件
   4. 三者效果相同
   答案与解析

   正确答案：A 散热器的热阻最大，在温升中所占份额也最大：将其减半可降低 18 K，其余两项分别降低 1.5 K 和 3 K。

3. 数据手册中的结至环境热阻描述的是什么？

   1. 任何电路板上的结至环境路径
   2. 仅封装本身
   3. 器件测量时到空气的整条路径，包括电路板和气流
   4. 器件所需的散热器
   答案与解析

   正确答案：C 它是最常给出的指标，也常被误用：它只对应其测量条件。

4. 某无散热器的器件耗散 1.5 W，其封装顶部温度读数为 70 C，数据手册给出的结至顶部参数为 4 K/W。结温是多少？

   1. 70 C
   2. 64 C
   3. 100 C
   4. 76 C
   答案与解析

   正确答案：D 顶部温度加上该参数与全部功率之积：70 C 加 6 K。

5. 为什么结至顶部参数不能计入串联热路？

   1. 它不是真正的热阻：只有部分功率流经封装顶部
   2. 它总是为零
   3. 它的单位不同
   4. 它已经包含了散热器
   答案与解析

   正确答案：A 它把两个温度与全部功率联系起来，而大部分功率经其他路径散出。

6. 为什么要按高温下的结温估算开关管的导通损耗？

   1. 温度高时电流会减小
   2. 其导通电阻随温度升高，升高倍数由数据手册的归一化曲线给出
   3. 导通损耗与温度无关
   4. 栅极电荷增大
   答案与解析

   正确答案：B 按室温估算的损耗偏低，而多出的损耗会使结温进一步升高。